ПИРОМЕТР Российский патент 2006 года по МПК G01J5/58 

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике, а в частности к средствам бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел, в т.ч. полупроводниковых пластин в технологических установках, изделий из металлов, керамики, пластмасс при их термообработке, расплавов металлов в металлургии, а также отдельных участков тела человека.

Известен пирометр [1], содержащий вход (канал из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала) оптической связи объекта с пирометром, полосовой фильтр, поляризатор, объектив, диафрагму, датчик мощности теплового излучения, модулятор, детектор переменной составляющей, усилитель и индикатор (блок регистрации), в нем полосовой фильтр и датчик мощности теплового излучения расположены на оси оптического входа. Этот пирометр использует прием теплового излучения объекта, спектральную фильтрацию, его модуляцию, детектирование, усиление на частоте модуляции, выделение переменной составляющей, регистрацию излучения под углом от нормали к поверхности излучения, равным главному углу падения луча, и выделение в детектируемом сигнале разности ортогонально поляризованных компонент излучения, по которой определяется температура поверхности объекта.

Недостатки известного пирометра - необходимость модуляции излучения и выделения переменной составляющей детектирования, значительная алгоритмическая сложность определения температуры и, как результат, значительная аппаратурная избыточность, низкая надежность в работе и значительная эксплуатационная сложность. Кроме того, известный пирометр обладает общим недостатком, состоящим в критичности к углам визирования, расстоянию от объекта до приемника излучений, неприменимостью для измерения температуры в широком, от сотен до десятков тысяч градусов по Цельсию, диапазоне температур, низкими точностью и быстродействием.

Известен, как более близкий к предмету изобретения, пирометр [2], содержащий вход, из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала, оптической связи, и два датчика мощности теплового излучения, на оптической оси с входом, причем датчики мощности теплового излучения обеспечены селективными на двух разных длинах волн свойствами, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), соединенные информационными входами с выходами первого и второго датчиков мощности теплового излучения соответственно, элемент сравнения, соединенный первыми и вторыми входами с выходами первого и второго датчиков мощности теплового излучения соответственно первый и второй элементы ИЛИ, соединенные входами поразрядно с выходами первого и второго АЦП соответственно, группы первых, вторых, третьих и четвертых элементов И, причем группа первых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого АЦП, а вторыми входами с первым выходом элемента сравнения, группа вторых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами с третьим выходом элемента сравнения, группа третьих элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого АЦП, а вторыми входами с третьим выходом элемента сравнения, и группа четвертых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами с первым выходом элемента сравнения, первый арифметический блок, соединенный поразрядно первыми входами с выходами групп первых и четвертых элементов И, а вторыми входами поразрядно с выходами второй и третьей групп элементов И, группа пятых элементов И, соединенных первыми входами с выходом первого элемента ИЛИ, вторыми входами с выходом второго элемента ИЛИ, а третьими входами поразрядно с выходами первого арифметического блока, первый задатчик для установления кода значения коэффициента пропорциональности, второй арифметический блок, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами группы пятых элементов И и первого задатчика соответственно, а выходами поразрядно с группой первых (информационных) выходов пирометра, третий элемент ИЛИ, соединенный входами поразрядно с выходами второго арифметического блока, формирователь переднего фронта импульса, соединенный входом с выходом третьего элемента ИЛИ, а выходом со входами управления первого и второго АЦП, и шестой элемент И, соединенный первым и вторым входами с выходами первого и второго элементов ИЛИ, а выходом со вторым выходом пирометра. (Выделенное наклонным шрифтом - признаки, присущие предмету изобретения).

Достоинства известного пирометра - обеспечение возможности измерения температуры при нефиксированных углах визирования и расстояниях между объектом, температура поверхности которого измеряется, и датчиками мощности теплового излучения пирометра, повышение точности, исключение субъективизма в результатах измерения и снижение инерционности.

Недостатки известного пирометра состоят в ограниченности функциональных возможностей, что обусловлено приемом излучений на двух фиксированных длинах волн, за счет чего ограничивается диапазон измеряемых температур и снижается точность измерения температуры.

Задача изобретения состоит в расширении функциональных возможностей за счет повышения точности измерения температуры поверхности тел в широком диапазоне ее значений (от единиц до десятков тысяч °С или К). Поставленная задача достигается минимизацией значений |λ_i-λ_j|, т.е. сближением значений λ_i и λ_j, и варьированием значений λ_i и λ_j, для смещения значений λ_i и λ_j в заданном направлении.

Технический результат достигается тем, что в пирометр, содержащий оптический вход из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала, датчик мощности теплового излучения, расположенный на оси со входом, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), первый и второй элементы ИЛИ, соединенные входами поразрядно с выходами первого и второго АЦП соответственно, группы первых, вторых, третьих и четвертых элементов И, элемент сравнения, причем группа первых элементов И первыми входами соединена с выходами первого АЦП, а вторыми входами с первым выходом элемента сравнения, группа вторых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами с третьим выходом элемента сравнения, группа третьих элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого АЦП, а вторыми входами с третьим выходом элемента сравнения, и группа четвертых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами с первым выходом элемента сравнения, первый арифметический блок, соединенный поразрядно первыми входами с выходами групп первых и четвертых элементов И, а вторыми входами поразрядно с выходами второй и третьей групп элементов И, группа пятых элементов И, соединенных первыми входами с выходом первого элемента ИЛИ, вторыми входами с выходом второго элемента ИЛИ, а третьими входами поразрядно с выходами первого арифметического блока, первый задатчик для установления кода значения коэффициента пропорциональности, второй арифметический блок, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами группы пятых элементов И и первого задатчика соответственно, а выходами поразрядно с группой первых информационных выходов пирометра, третий элемент ИЛИ, соединенный входами поразрядно с выходами второго арифметического блока, формирователь переднего фронта импульса, соединенный входом с выходом третьего элемента ИЛИ, а выходом со входами управления первого и второго АЦП, и шестой элемент И, соединенный первым и вторым входами с выходами первого и второго элементов ИЛИ, а выходом со вторым выходом пирометра, введены второй задатчик для установки значений длин волн принимаемых излучений и коммутатор, соединенный входом управления с выходом второго задатчика, информационными входами с выходами датчика мощности теплового излучения, а выходами со входами обоих АЦП соответственно, причем датчик мощности теплового излучения выполнен на приборах с зарядовой связью сотовым в плане и селективным на разные длины волн теплового излучения, а электрически выходы элементов датчика с селекцией излучений на одноименных длинах волн соединены параллельно и образуют выходы датчика.

Схема функциональная пирометра приведена на фиг.1, на фиг.2 приведены возможные варианты расположения элементов датчика мощности теплового излучения в плане, на фиг.3 - схема электрических соединений элементов датчика мощности теплового излучения, а на фиг.4 - зависимость мощности (интенсивности) излучения от длины волны излучения.

Пирометр содержит (см.фиг.1) вход 1 теплового излучения, селективный датчик 2 мощности теплового излучения (на разных длинах λ_i и λ_j волн) соответственно, второй задатчик 3 для установления значений длин λ_i и λ_j волн воспринимаемых излучений, коммутатор 4, соединенный входами управления с выходами задатчика 3, а информационными входами поразрядно с выходами датчика 2 мощности теплового излучения, первый 5 и второй 6 аналого-цифровые преобразователи (АЦП), соединенные информационными входами с выходами коммутатора 4 соответственно, элемент сравнения 7, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами первого 5 и второго 6 АЦП соответственно, первый 8 и второй 9 элементы ИЛИ, соединенные входами с выходами первого 5 и второго 6 АЦП соответственно, группу первых 10, вторых 11, третьих 12 и четвертых 13 элементов И, первые входы группы первых 10 и группы третьих 12 элементов И поразрядно соединены с выходами АЦП 5, первые входы группы вторых 11 и группы четвертых 13 элементов И поразрядно соединены с выходами АЦП 6, вторые входы групп 10 и 13 элементов И соединены с первым выходом элемента 7 сравнения, вторые входы групп 11 и 12 элементов И соединены с вторым выходом элемента 7 сравнения, первый 14 арифметический блок, соединенный поразрядно первыми входами с выходами первых 10 и четвертых 13 элементов И, а его вторые входы поразрядно соединены с выходами групп вторых 11 и третьих 12 элементов И, группу пятых 15 элементов И, соединенных первыми входами с выходом первого 8 элемента ИЛИ, вторыми входами с выходом второго 9 элемента ИЛИ, а третьими входами поразрядно с выходами первого 14 арифметического блока, первый задатчик 16 для установления кода значения коэффициента пропорциональности, второй 17 арифметический блок, соединенный поразрядно первыми и вторыми входами с выходами группы пятых 15 элементов И и задатчика 16 соответственно, третий 18 элемент ИЛИ, соединенный входами с выходами второго 17 арифметического блока, формирователь 19 переднего фронта импульса, соединенный входом с выходом третьего 18 элемента ИЛИ, а выходом со входами управления АЦП 5 и 6, и шестой 20 элемент И, соединенный входами с выходами первого 8 и второго 9 элементов ИЛИ, первый 21 элемент задержки, соединенный входом с выходом формирователя 19 переднего фронта импульса, а выходом со входом управления (синхронизации) первого 14 арифметического блока, и второй 22 элемент задержки, соединенный входом с выходом первого элемента 21 задержки, а выходом со входом управления (синхронизации) второго 17 арифметического блока, первый, многоразрядный, выход 23 пирометра соединен поразрядно с выходами второго 17 арифметического блока, а второй 24 выход пирометра соединен с выходом шестого 20 элемента И, причем, датчик 2 мощности теплового излучения выполнен сотовым в плане (см фиг.2), на приборах с зарядовой связью (ПЗС) и селективным на разные длины волн λ₁, λ₂,...λ_i,...λ_j, а электрически элементы с одноименными длинами волн λ_i соединены по выходам параллельно (см.фиг.3).

Пирометр работает следующим образом.

Задатчиком 3 устанавливаются длины волн λ_i и λ_j принимаемого теплового излучения, задатчиком 16 устанавливается код значения коэффициента q пропорциональности, зависящего от значений длин волн λ_i и λ_j по q=α|λ_i-λ_j|, где α - постоянный коэффициент размерности, вход 1 теплового излучения пирометра устанавливается в направлении на объект О, температура поверхности которого подлежит измерению, при этом на датчик 2 мощности теплового излучения по входу 1 пирометра поступает излучение с поверхности объекта О. По управлению с выходов задатчика 3 соответствующие выходы датчика 2 мощности теплового излучения соединяются с выходами коммутатора 4. Датчик 2 мощности теплового излучения, обладая избирательностью на излучения с длинами волн λ_i и λ_j соответственно, на своих выходах генерирует, аналоговые сигналы U_i=f(ε_λi) и U_j=f(ε_λj), а АЦП 5 и АЦП 6 преобразуют аналоговые сигналы U_i и U_j в цифровые коды N₅=f(U_i) и N₆=f(U_j) соответственно. По результатам сравнения кодов N₅ и N₆ на первом выходе элемента 7 сравнения генерируется единичный потенциал при N₅>N₆, на втором выходе - высокий потенциал при N₅=N₆, а на третьем выходе элемента 7 сравнения генерируется высокий потенциал, при N₅<N₆. На выходах элементов 8 и 9 ИЛИ устанавливаются высокие (единичные) потенциалы тогда и только тогда, когда N₄>0 и N₅>0. Высоким (единичным) потенциалом с первого выхода элемента 7 сравнения по вторым входам открываются группы 10 и 13 элементов И, а высоким (единичным) потенциалом с третьего выхода элемента 7 сравнения по вторым входам открываются группы 11 и 12 элементов И, при этом содержимое выходов АЦП 5 (N₅) и АЦП 6 (N₆) поступает на первые и вторые, или на вторые и первые, соответственно, входы первого 14 арифметического блока, который определяет коды значений N₁₄=N₄/N₅ или N₁₄=N₅/N₄, что однозначно соответствует N₁₄=ε_λ1/ε_λ2 или N₁₄=ε_λ2/ε_λ1. Код N₁₄ генерируется по импульсу с выхода элемента 21 задержки, поступающего на вход управления (синхронизации) первого 14 арифметического блока, и поступает на третьи входы группы 15 элементов И, которые открываются при единичных потенциалах на первых и вторых их входах. Содержимое выходов первого 14 арифметического блока N₁₄, через группу 15 элементов И, поступает на первые входы второго 17 арифметического блока, на вторые входы которого поступает код N₁₆(N₁₆=α|N_ελ1-N_ελ2|) значения коэффициента q пропорциональности с выходов задатчика 16, при этом на выходах арифметического блока 17 генерируется код N₁₇, пропорциональный N₁₇=N₁₄N₁₆=α|λ₁-λ₂|ε_λ1/ε_λ2 или =α|λ₁-λ₂|ε_λ2/ε_λ1 в градусах К. Этот код поступает на первый, многоразрядный, 23 выход пирометра и может индицироваться дисплеем или использоваться в технологических нуждах для управления технологическим процессом. Кроме того, содержимое выходов арифметического блока 17 N₁₇ через третий 18 элемент ИЛИ поступает на формирователь 19 переднего фронта импульса, коротким импульсом высокого потенциала с выхода формирователя 20 повторно запрашиваются АЦП 5 и АЦП 6 арифметические блоки 14 и 17, что обеспечивает синхронизацию во времени отсчетов значений N₁₇≅T в градусах К, кроме того, элемент И 20 на своем выходе генерирует высокий потенциал при N₅>0 и N₆>0, т.е. когда чувствительность датчика 2 мощности теплового излучения (точнее его элементов с селекцией излучений на длинах волн λ₁ и λ₂) и мощность падающих на них тепловых излучений от объекта О достаточны для измерения температуры объекта О, этот сигнал с выхода элемента И 20 поступает на выход 24 пирометра и может служить признаком приемлемой наводки оптического входа 1 пирометра на объект О, т.е. при периодическом появлении сигнала на выходе 24 датчик 2 мощности теплового излучения реагирует на тепловое излучение объекта О и пирометр способен (или готов) к выполнению функционального назначения.

Сказанное вытекает из анализа фиг.4, т.к. сокращение значения разности длин волн |λ_i-λ_j| ведет к росту угла наклона α, а это, в свою очередь, ведет к повышению точности измерения температуры Т и к смещению области применения пирометра в длинноволновую (при α<90°) или коротковолновую (при α>90°) область спектра излучения, т.е. со смещением в низкотемпературную или в высокотемпературную область измеряемых температур.

Кроме расширения функциональных возможностей пирометр, за счет использования датчика мощности теплового излучения, обеспечивает исключение субъективизма, а за счет сокращения значения разности длин волн |λ_i-λ_j| и цифровой обработки информации повышение точности измерений и возможность его использования в автоматических средствах сбора информации о состоянии объектов в широком диапазоне их динамичности по параметру температуры, а также в автоматических дистанционных средствах управления (регулирования) технологическими процессами. А если еще учесть возможность использования в качестве рабочих длин волн их ультрафиолетовые и инфракрасные области, то область применения пирометра по температурному диапазону простирается от 300÷400 К, до 10000÷15000 К. И как результат, варьирование длин волн измерения значений интенсивности тепловых излучений повышает чувствительность датчика мощности теплового излучения нагретого тела, а в конечном итоге повышается точность и расширяется диапазон измерения температуры пирометром.

Источники информации

1. Патент RU 2149366, G 01 J 5/58, H 01 L 21/66, б. 14, 2000.

2. Патент RU 2225600, G 01 J 5/58, б. 7, 2004.

Изобретение относится к измерительной технике. Пирометр содержит оптический вход из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала, датчик мощности теплового излучения, расположенный на оси со входом, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), первый и второй элементы ИЛИ, группы первых, вторых, третьих и четвертых элементов И, элемент сравнения, первый арифметический блок, первый задатчик для установки кода значения коэффициента пропорциональности, второй арифметический блок, третий элемент ИЛИ и шестой элемент И. В пирометр введены второй задатчик для установки значений длин волн принимаемых излучений и коммутатор, соединенный входом управления с выходом второго задатчика, информационными входами с выходами датчика мощности теплового излучения, а выходами со входами обоих АЦП соответственно. Датчик мощности теплового излучения выполнен на приборах с зарядовой связью сотовым в плане и селективным на разные длины волн теплового излучения. Технический результат - повышение точности. 4 ил.

Пирометр, содержащий оптический вход из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала, датчик мощности теплового излучения, расположенный на оси со входом, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), первый и второй элементы ИЛИ, соединенные входами поразрядно с выходами первого и второго АЦП соответственно, группы первых, вторых, третьих и четвертых элементов И, элемент сравнения, причем группа первых элементов И первыми входами соединена с выходами первого АЦП, а вторыми входами - с первым выходом элемента сравнения, группа вторых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами - с третьим выходом элемента сравнения, группа третьих элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого АЦП, а вторыми входами - с третьим выходом элемента сравнения, и группа четвертых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами - с первым выходом элемента сравнения, первый арифметический блок, соединенный поразрядно первыми входами с выходами групп первых и четвертых элементов И, а вторыми входами поразрядно - с выходами второй и третьей групп элементов И, группа пятых элементов И, соединенных первыми входами с выходом первого элемента ИЛИ, вторыми входами - с выходом второго элемента ИЛИ, а третьими входами поразрядно - с выходами первого арифметического блока, первый задатчик для установки кода значения коэффициента пропорциональности, второй арифметический блок, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами группы пятых элементов И и первого задатчика соответственно, а выходами поразрядно - с группой первых информационных выходов пирометра, третий элемент ИЛИ, соединенный входами поразрядно с выходами второго арифметического блока, формирователь переднего фронта импульса, соединенный входом с выходом третьего элемента ИЛИ, а выходом - со входами управления первого и второго АЦП, и шестой элемент И, соединенный первым и вторым входами с выходами первого и второго элементов ИЛИ, а выходом - со вторым выходом пирометра, отличающийся тем, что в него введены второй задатчик для установки значений длин волн принимаемых излучений и коммутатор, соединенный входом управления с выходом второго задатчика, информационными входами - с выходами датчика мощности теплового излучения, а выходами - со входами обоих АЦП соответственно, причем датчик мощности теплового излучения выполнен на приборах с зарядовой связью сотовым в плане и селективным на разные длины волн теплового излучения, а электрически выходы элементов датчика с селекцией излучений на одноименных длинах волн соединены параллельно и образуют выходы датчика.